無人機航測在山杏種質信息采集中的應用及推廣

張云程，楚景月

(1.喀左縣林業種苗管理站，遼寧 喀左 122300；2.喀左縣林業和草原局，遼寧 喀左 122300)

1 研究背景

自1995年起，與沈陽農業大學林學院緊密合作，開展了山杏(Armeniacasibirica(L.) Lam.)主要分布區的種質資源調查、選優、定向育種和良種繁育等項技術研究。先后篩選出山杏優特種質資源347份，分別采自遼寧、河北、內蒙、山西、吉林、甘肅、寧夏7省區和俄羅斯外貝加爾邊疆區，并于2012年將其集中引種到喀左縣進行引種適應性試驗。在此基礎上，成功選育出豐產、穩產型的優良無性系11個，2014年有4個山杏良種通過省級審定。翌年4月份，按沈陽農業大學林學院的配置設計，將收集到的山杏種質資源全部定植到喀左山杏良種基地。

2016年7月，經國家林業局批準，決定在原山杏良種基地的基礎上實施遼寧省喀左縣山杏種質資源保存庫建設，建設期2017～2019年。研究立足遼西，輻射我國“三北”干旱半干旱地區，以亞洲特有的生態經濟型樹種——山杏為研究對象，以豐富的山杏種質資源為基礎，以收集、保存、評價、利用山杏種質資源為目的，建設集規范化、系統化、標準化于一體的山杏種質資源保存庫，保護山杏種質資源的遺傳多樣性和發展的可持續性，進而為林業生產、科學研究和教學實踐奠定種質基礎；同時選育山杏新品種，加速山杏良種化推廣進程，促進山杏產業實現可持續發展。建成后，預計可保存山杏種質資源390份以上，篩選出豐產、晚花等優特種質20個以上。建成我國山杏種質資源基因保存基因資源庫，為山杏種質的持續創新、資源培育和產業發展提供充裕的遺傳材料和實用技術。

優樹選擇首先需要有實時獲取的各種質資源單株的樹體因子和物候期數據，非但野外調查工作量巨大，而且工期較長，人工成本高昂，且定位不夠精準。例如，測定山杏種質樹的樹高和冠幅時，需要每2人為1組，調查1株種質樹平均用時約5 min，數據采集效率為6株/人·h。山杏種質資源庫保存現有88000株種質樹，全部調查需要917個人工，組織30人的調查隊伍也要1個月的時間，數據時效性很差。同樣的問題還出現在花期觀測、放葉期、葉變色期、落葉期觀測等諸方面。

近幾年無人機飛行平臺快速發展，無人機遙感憑借著機動靈活、高效快速、精細準確、作業成本低、適用范圍廣、生產周期短等的優勢，正在引起不同行業部門的廣泛關注。特別是隨著基于計算機視覺技術的無人機影像處理技術不斷發展成熟，為基于無人機影像的森林遙感研究提供了新的發展契機。

2 研究成果簡介

2.1 成果主要內容

本項成果屬林學-森林培育學技術領域，主要用于林木種質資源庫管理。本項成果涉及3個研究方向共8個內容模塊。即無人機航攝高精度成圖研究方向的控制點布局與獲取、無人機航攝、Pix4D航測成圖關鍵技術；地圖矢量化技術；種質資源信息獲取研究方向的種質樹高信息獲取、建立種質樹葉花的RGB顏色模型、種質樹樹冠投影面積信息獲取、山杏開花的物候期觀測技術。

2.2 成果創新點

(1)成功建立起無人機航測法高精度成圖數據處理流程和參數。采用RTK技術，對種質資源庫的界樁點、水罐、水閥、部分種質樹中心點位置和明顯標志進行了采集，采集的位置數據誤差小于0.02 m。這些數據的采集為航攝成圖提供了大量的控制點、平高點和檢查點，實現了對成圖精度的精準控制。在航攝過程中，通過對飛行參數和相機參數的優化，減小了像點位移和色差。根據對Pix4D軟件的深刻理解與實踐，首次應用于圖像上刺出輪廓控制點→快速處理檢查→控制點刺點加密的工作流程中，從而大大提高了刺點效率和成圖精度。

(2)首次引入樹木生長空間的概念，解決了種質樹郁閉后樹冠分割之難題。樹木樹冠生長發育直接制約樹木各項生長，影響樹冠生長的主要因素是密度，也就是樹木單體間位置關系。為了表示這種關系，我們引入了樹木生長空間(Voronoi diagram)概念。這一概念的引入，解決了種質樹郁閉后樹冠分割難題，為種質樹生長分析增加了維度。

(3)成功建立起種質樹葉、花色彩RGB的數學模型，為航攝正射影像判讀和時空二維信息獲取奠定了基礎。通過建立種質樹葉、花色彩RGB的數學模型，解決了判讀航攝正射影像種質樹葉、花期，以及獲得空間和時間二維種質樹信息等關鍵難題。

(4)通過信息迭代利用，可為林木種質資源庫提供系統、連續和包含豐富種質庫種質樹信息。高頻度的多時空無人機航攝與合成影像，為種質資源庫提供的系統連續包含豐富種質庫種質樹信息影像資料，讓種質樹信息回溯利用變成可能。

(5)特質信息采集應用。例如趁下過雪后立刻進行航攝，制作成的正射影像在白色背景的映襯下能清晰反映出樹木枝條的分枝特性。通過雨前雨后拍攝和兩次影像計算，方可制作出林地保水保墑能力圖。

3 應用推廣情況

自2016年迄今，在“無人機航測在山杏種質信息采集中的應用與研究”項目實際應用中，累積航攝26次，共獲照片184360張，合成影像圖(DEM和DOM)百余張；為資源庫內88000株種質樹標定了準確位置，種質樹根基部高程；項目期間先后6次全面采集種質樹的樹高、樹冠投影面積的信息；進行3次山杏花物候期測定，2次提取山杏花RGB值。本項研究為山杏種質資源庫的建設，積累了帶時序的數據影像資料。項目期內，先后有喀左縣林業種苗技術服務中心、沈陽農業大學林學院、國有建平縣白山林場、北票市林木良種繁育中心、阜新市林業種苗中心、國有綏中縣水口林場等6家單位，分別在“喀左縣山杏國家林木種質資源保存庫”、“喀左縣山杏良種基地”、“國家林業和草原局林業長期科研基地”、“喀左縣大棗良種基地”、“沈陽農業大學教學科研基地”、“沈陽農業大學研究生聯合培養基地”、“建平白山林場文冠果良種基地”、“北票市油松良種基地”、“阜新市五角楓、蒙古櫟國家林木種質資源庫”、“遼寧省綏中縣水口林場核桃良種基地”等10個項目中應用本項技術，累計應用面積達860 hm2強，涉及林木種質資源數量3763份，應用成效評價皆獲成功。該項目的成功推廣應用，對加速可適生林業新品種的推廣大有裨益，更受到了國家和省市林業主管部門的高度評價。初步統計，僅就“山杏種質資源”研究而言，業已成功選育出通過省級審定的山杏新品種4個，其中具有豐產穩產突出特性的“山杏1號”，迄今已在本地區推廣141.3 hm2，平均每畝年增收600余元。編制遼寧省地方標準1項。

4 結論

研究針對山杏種質資源調查中工作量大、工期長、成本高、精度差等問題，研究了基于無人機與航空攝影測量的山杏種質信息模型、聚類、歸一化等技術，為發展數字林業提供了技術支撐。

研制了無人機航測法高精度成圖數據處理流程和參數，以及樹木的葉、花色彩RGB數學模型，實現種質資源精準定位、歷史數據的回溯與追蹤。應用RTK技術采集種質資源庫的界樁點和部分種質樹中心點位置和明顯標志，位置數據誤差小于2 cm。引入樹木生長空間概念，解決了種質樹郁閉后樹冠分割難題。應用信息迭代，可為林木種質資源庫提供系統、連續和包含豐富種質庫種質樹信息的影像資料。

累計應用面積860 hm2強，涉及林木種質資源數量3763份，生態效益、經濟效益和社會效益顯著。